JavaCAS底层实现原理实例详解-创新互联

这篇文章主要介绍了Java CAS底层实现原理实例详解,文中通过示例代码介绍的非常详细，对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值,需要的朋友可以参考下

一、CAS（compareAndSwap）的概念

CAS，全称Compare And Swap（比较与交换），解决多线程并行情况下使用锁造成性能损耗的一种机制。

CAS（V, A, B），V为内存地址、A为预期原值，B为新值。如果内存地址的值与预期原值相匹配，那么将该位置值更新为新值。否则，说明已经被其他线程更新，处理器不做任何操作；无论哪种情况，它都会在 CAS 指令之前返回该位置的值。而我们可以使用自旋锁，循环CAS，重新读取该变量再尝试再次修改该变量，也可以放弃操作。

二、CAS（compareAndSwap）的产生

为什么需要CAS机制呢？我们先从一个错误现象谈起。我们经常使用volatile关键字修饰某一个变量，表明这个变量是全局共享的一个变量，同时具有了可见性和有序性。但是却没有原子性。比如说一个常见的操作a++。这个操作其实可以细分成三个步骤：

（1）从内存中读取a

（2）对a进行加1操作

（3）将a的值重新写入内存中

在单线程状态下这个操作没有一点问题，但是在多线程中就会出现各种各样的问题了。因为可能一个线程对a进行了加1操作，还没来得及写入内存，其他的线程就读取了旧值。造成了线程的不安全现象。

Volatile关键字可以保证线程间对于共享变量的可见性可有序性，可以防止CPU的指令重排序(DCL单例)，但是无法保证操作的原子性，所以jdk1.5之后引入CAS利用CPU原语保证线程操作的院子性。

CAS操作由处理器提供支持，是一种原语。原语是操作系统或计算机网络用语范畴。是由若干条指令组成的，用于完成一定功能的一个过程，具有不可分割性，即原语的执行必须是连续的，在执行过程中不允许被中断。如 Intel 处理器，比较并交换通过指令的 cmpxchg 系列实现。

三、CAS（compareAndSwap）的原理探究

CAS的实现主要在JUC中的atomic包，我们以AtomicInteger类为例：

通过代码追溯，可以看出JAVA中的CAS操作都是通过sun包下Unsafe类实现，而Unsafe类中的方法都是native方法，由JVM本地实现，所以最终的实现是基于C、C++在操作系统之上操作

Unsafe类，在sun.misc包下，不属于Java标准。Unsafe类提供一系列增加Java语言能力的操作，如内存管理、操作类/对象/变量、多线程同步等

//var1为CAS操作的对象，offset为var1某个属性的地址偏移值，expected为期望值，var2为要设置的值，利用JNI来完成CPU指令的操作
public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);
public native Object getObjectVolatile(Object var1, long var2);
public native void putObjectVolatile(Object var1, long var2, Object var4);

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